4. Kosten- und nutzenorientierte Auswahl silikatischer Werkstoffe 59
Kosten- und nutzenorientierte Auswahl silikatischer Werkstoffe Dr. Ilka Lenke CeramTec AG Geschäftsbereich Elektrotechnik Lauf a. d. Pegnitz Geschichte der Keramik Seit Jahrtausenden benützen die Menschen keramische Werkstoffe in Form von Tonwaren und Glas und in neuer Zeit das Porzellan. Der geschichtliche Ablauf ist übersichtlich kurz in Bild 1 zusammen gefaßt. Geschichte der Keramik vor 15.000 Jahren erste figürliche Keramiken und Nutzgefäße vor 10.000 Jahren 1550, Freiberg 19. Jahrhundert 20. Jahrhundert erste Ziegelsteine (Mesopotamien und Indien) Entwicklung synthetischer feuerfester Werkstoffe Grundlage für industrielle Revolution (Erschmelzen von Metallen, Glas, Begleiter chemischer Industrie) Glühkörperringe für Gasleuchten Elektrokeramik für elektrische Isolation Entwicklung der Hochleistungskeramik (Steatit, oxidische Magnetwerkstoffe, Zündkerze,... ) Bild 1: Geschichte der Keramik Am Ende der Entwicklung stehen die heute überall in der Öffentlichkeit diskutierten Hochleistungskeramiken, ohne die unsere moderne Welt nicht denkbar wäre. Zu diesen Werkstoffen zählen auch die technischen Silicatkeramiken, die sich gegenüber den 60
herkömmlichen Anwendungen bei der Fliesenware, im Sanitärbereich und in der Geschirrindustrie abheben. Definition Silicatkeramik Silicatkeramiken werden aus Naturprodukten wie Quarzsand, Speckstein, Kaolin, Ton, Feldspat usw. hergestellt. Rohstoffbasis für die meisten oxidischen und nichtoxidischen Keramiken sind dagegen im allgemeinen hochreine feindisperse Oxide, Nitride, Boride und Karbide mit genau spezifizierter chemischer Zusammensetzung und Teilchengeometrie. Die dafür notwendigen Pulver müssen im allgemeinen synthetisch hergestellt werden, weil Naturprodukte nicht die Anforderungen bezüglich chemischer Reinheit, Homogenität und Konstanz erfüllen. Die Silicatkeramiken weisen in der Regel ein äußerst komplexes Phasenverhalten auf. Sie lassen sich in der Regel nicht mehr mit den einfachen Hilfsmitteln der Phasendiagramme beschreiben. Wegen relativ niedriger Sintertemperaturen, guter Prozeßbeherrschung und Verfügbarkeit der natürlichen Rohstoffe, sind die Silicatkeramiken wesentlich kostengünstiger als Oxid- und Nichtoxidkeramik. Definition Silikatkeramik Mehrphasige Werkstoffe Keramik mit kristallinen Phasen und hohem Anteil an Glasphase aus überwiegend Siliziumoxid Rohstoffe, meist natürlicher Herkunft (Ton, Kaolin, Feldspat und Speckstein), als Silikatträger niedrige Sintertemperaturen Bild 2: Definition Silicatkeramik Werkstoffe und Anwendungen der Silicatkeramiken 61
Technische Porzellane Quarzporzellan (P1) Die Porzellane der Werkstoffgruppe C100 sind Alkali- Aluminiumsilikate und finden Ihre häufigsten Anwendungen wegen ihrer hohen mechanischen Festigkeit, dem sehr guten Isolationsvermögen und der hervorragenden chemischen Beständigkeit. Für alle Anwendungen ohne besondere mechanische Beanspruchungen werden Quarzporzellane eingesetzt. Tonerdeporzellan (RUBALIT A12E) Die Tonerdeporzellane zeichnen sich gegenüber dem Quarzporzellan durch eine höhere mechanische Festigkeit selbst bei extremen Dauerbelastungen (z. Bsp. 50 C bis +550 C) oder plötzlicher Temperturänderung (z. Bsp. Elektrischer Kurzschluß) aus. Auch im Langzeitverhalten unter Freiluftbedingungen (Alterungsverhalten) ist Tonerdeporzellan deutlich überlegen. Häufige Anwendungen sind in Freiluftschaltanlagen, Schaltkammern und Freileitungsisolatoren gegeben. Im Tonerdeporzellan ist der preiswerte Quarz SiO2 durch den teureren Rohstoff Tonerde (Al2O3) ersetzt. Lithiumporzellan (ALPHASTEA ) Die Verwendung von Lithium an Stelle von anderen Alkalien im Versatz führt zur Bildung von Spodumen in der gebrannten Keramik. Dieses Mineral hat wegen seines besonderen Kristallgitters eine äußerst geringe Wärmedehnung. Lithiumporzellan wird deshalb dort eingesetzt, wo ein elektrischer Isolator höchsten Thermoschockbeanspruchungen ausgesetzt ist. Die niedrige Längenänderung bei Erwärmung wird in der Meßtechnik zum Aufbau thermisch stabiler Strukturen verwendet. Seine spezifische Dichte ist erheblich geringer als die von Quarzporzellan. Die Wärmeleitfähigkeit ist so gering, daß dieser Werkstoff auch als thermischer Isolator verwendet wird. Steatit (FREQUENTA ) Der Steatit wird aus natürlichen Rohstoffen hergestellt, gehört aber nicht zu den tonkeramischen Werkstoffen; er konkurriert mit den Porzellanen als Isolierwerkstoff. Die Steatite werden 62
zwischen 1300 und 1400 C dicht gebrannt. Hierbei entstehen Magnesiumsilikatkristalle, die in einer Glasphase eingebettet sind. Heute wird fast ausschließlich Sondersteatit eingesetzt, der sich durch hervorragende Hochfrequenzeigenschaften auszeichnet. Er unterscheidet sich vom Porzellan durch seine höhere mechanische Festigkeit, einen niedrigeren dielektrischen Verlustfaktor und einen lineraren thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der eine Verbindung mit Metallen erleichtert. Gegenüber den Tonerdeporzellanen weist Steatit eine höhere Riß- und Schlagzähigkeit auf, was sich vorteilhaft bei den klassischen Metall- Keramikfügungen auswirkt. Typische Anwendungen sind Reglergehäuse, Isolierperlen und NH- Sicherungen Cordierit (SIPA, SIKOR ) Cordieritwerkstoffe sind Magnesiumaluminiumsilikate, die beim Sintern von Speckstein mit Zusätzen von Ton, Kaolin, Korund und/ Mullit entstehen. Cordierite haben eine niedrige Wärmeausdehnung. Daraus resultiert die hervorragende Temperaturwechselbeständigkeit bei hoher mechanischer Festigkeit. Unterschieden wird zwischen porösem und dichtem Cordierit. Die porösen Varianten haben zwar etwas niedrigere Biegefestigkeiten, dafür aber gegenüber dem dichten Cordierit eine höhere Temperaturwechselbeständigkeit (da sich mechanische Spannungen in den Poren abbauen können). Cordierite werden besonders in der Elektrowärmetechnik und ganz allgemein in der Wärmetechnik eingesetzt. Anwendungsbeispiele sind Isolierkörper für elektrische Durchlauferhitzer, Heizleiterträger in den verschiedensten Öfen, Funkenkammerschutzplatten sowie Katalysatorträger. Mullit (Pormullit, Dimulllit, SIPALOX ) In den mullitischen Werkstoffen finden sich vor allem die beiden Minerale Mullit und Korund, von denen sich auch die Werkstoffeigenschaften herleiten. Reine, dicht gesinterte Mullitkeramiken zeichnen sich durch hohe Festigkeiten und vergleichsweise geringe Wärmedehnung aus, was unmittelbar mit einer sehr hohen Temperaturwechselbeständigkeit verknüpft ist. Je nach Gefügeaufbau und Phasenanteilen können aus diesem System auch Bauteile mit sehr hoher Festigkeit und Hochtemperaturkriechbeständigkeit erzeugt werden. Thermoelementschutzrohre, Aufnahmen in Öfen und Flammenkühl- und Leitelemente sind bekannte Anwendungen dieser Keramiken. Eine besondere Variante wird für Tragrollen in Hochtemperturöfen verwendet. 63
Allgemeine Bemerkungen Die Silikatkeramiken heben sich von den Oxid- und Nichtoxidkeramiken besonders durch ihre niedrige Wärmeleitfähigkeit, niedrige Permittivitätszahl und einen geringen dielektrischen Verlustfaktor ab. Genaue und ausführliche Informationen finden Sie auf den Folien Technische Kenngrößen im Vergleich Wärmeleitfähigkeit im Vergleich Thermische Ausdehnung im Vergleich Elastizitätsmodul im Vergleich Dichte im Vergleich Härte im Vergleich zu den Werkstoffkennwerten finden sie im Internet unter www.ceramtec.de. Kompetenz in Technischer Keramik Eigenschaften Alkali - Aluminiumsilikate (C 100) Bezeichnung nach IEC 672 C 110 C 111 C 112 C 120 C 130 Alphastea elektrisch Symbol Einheit Quarzporzellan gepreßt hochfest plastische Formgebung Tonerdeporzellan Cristobalitporzellane Tonerdeporzellan Tonerdeporzellan Lithiumporzellan Durchschlagsfestigkeit E d [kvmm -1 ] 20 20 20 20 15 Stehspannung, min. U [kv] 30 30 30 30 20 Permittivitätszahl, 48 bis 62 Hz Σ r [ ] 6 7 5 6 6 7 6 7,5 5 7 Verlustfaktor, bei 20 C, 48-62 Hz tan δ pf [10-3 ] 25 25 25 30 10 Verlustfaktor, bei 20 C, 1 MHz tan δ 1M [10-3 ] 12 12 12 15 10 Spezifischer Widerstand bei 20 C ρv >20 [Wm] 10 11 10 10 10 11 10 11 10 11 10 11 Spezifischer Widerstand bei 600 C ρv >600 [Wm] 10 2 10 2 10 2 10 2 10 2 10 2 Bild 3 64
Kompetenz in Technischer Keramik Eigenschaften Elastizitätsmodul im Vergleich 450 400 E-Modul [GPa] 350 300 250 200 150 100 ** ** Starke Varianz wegen der Vielfalt der Aluminiumoxid- Werkstoffe 50 0 GG-20 ST-37 Aluminium Frequenta Sikor Sipa Sipalox A 12 KER 610 A 14 SISIC RSIC SSIC SIALON RBSN SSN PSZ Aluminiumoxid Steatit E-Module verschiedener Werkstoffe Porzellan Bild 4 Kompetenz in Technischer Keramik Eigenschaften Dichte im Vergleich 8,00 7,00 6,00 Dichte [g/cm 3 ] 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00 GG-20 ST-37 Aluminium A 14 Frequenta A 12 KER 610 Sikor Sipalox Sipa Alphastea SISIC RSIC SSIC SIALON RBSN SSN PSZ Aluminiumoxid Steatit Porzellan Dichte verschiedener Werkstoffe Bild 5 65
Kompetenz in Technischer Keramik Eigenschaften Sonstige Bruchzähigkeit mechanische/ thermische Beaufschlagung Porosität TWB Deutlich niedriger als bei Metallen, daher schlagempfindlicher jedoch formstabiler, auch bei hohen Temperaturen keine duktilen Deformationen wie bei Metallen, plötzliches Versagen bei Erreichung kritischer Werte (Sprödbruchverhalten) i.d.r. keine offene Porosität, gasdicht. Sonderwerkstoffe mit erwünschter Porosität zur Beherrschung thermischer Belastungen oder Vergrößerung der Oberfläche i.d.r. gut, bis zu 700K. Abhängig vom keramischen Werkstoff sowie von Bauteilform und Größe Bild 6 Kompetenz in Technischer Keramik Eigenschaften Härte im Vergleich 30-3 Nmm -2 ] Härte HV [10 25 20 15 10 5 ** ** Starke Varianz wegen der Vielfalt der Aluminiumoxid- Werkstoffe 0 ST-37 Grauguß Aluminium Steatit SISIC RSIC SSIC RBSN SSN PSZ Aluminiumoxid Härtevergleich Bild 7 66
Bild 8 Kompetenz in Technischer Keramik Eigenschaften Sonstige Hochtemperaturfestigkeit Korrosionsbeständigkeit elektrischer Widerstand elektrische Polarisation dielektrische Verluste Sehr gut hervorragende Eignung. Je nach keramischem Werkstoff bis zu ca. 1800 C hervorragende Beständigkeit gegenüber aggressiven Medien (Ausn. Flußsäure) sehr hoch, i.d.r. bei 10 11 Ωm, verbunden mit einer Durchschlagsfestigkeit >10kVmin -1, z.t. auch bei hohen Temperaturen (Ausn. Halbleiter: z.b.sic) gering, Permittivitätszahl im allgemeinen 6<Σ R <12 gering, zunehmend bei höheren Temperaturen und niedrigen Frequenzen (höhere Verlustfaktoren jedoch herstellbar) Kostenvorteile und Nutzen der Silicatkeramik Die Kostenvorteile von Silicatkeramik setzen sich nicht nur durch günstige Rohstoffe, sondern auch durch die Summe aller Einsparungen bei jedem Prozeßschritt zusammen. Know-how in Technologie Keramischer Herstellungsprozeß vom Pulver bis zum Bauteil Pulver Aufbereitung Sintern Urformen Grün-/Weißbearbeitung Endbearbeitung Bauteil Rohstoffe Plastifizieren Mischen Granulieren Extrudieren Spritzen Gießen Pressen Fräsen Drehen Bohren Sägen Reaktions-u Sinterbrand Schleifen Läppen Polieren Formgebung Bild 9 67
Know-how in Technologie Fertigungsabschnitte Fertigungsverfahren Masseaufbereitung Formgebung Trocknen Verglühen Sintern Produkt Keramikerzeugung Grünbearbeitung Weißbearbeitung Hartbearbeitung Erzeugung komplizierter Formen Fräsen Bohren Drehen Schleifen Erzeugung komplizierter Formen Fräsen Bohren Drehen Schleifen Verbesserung der Maßund Formtoleranzen sowie der Oberflächengüte Schleifen Trennschleifen Honen Läppen Polieren Funkenerodieren Lasern Aufwand Bild 10 Rohstoffe Die natürliche Rohstoffbasis der Silikatkeramiken liefert bereits einen wesentlichen Beitrag für die Wirtschaftlichkeit der Silikatkeramiken. Die Pulver sind heute perfekt konfektioniert und charakterisiert wie die teuren synthetischen Pulver. Vergleicht man die Kosten von silikatkeramischen Rohstoffen mit Oxid- und Nichtoxidrohstoffen ergibt sich ein Verhältnis von ungefähr eins zu zwei bis etwa dreitausend. Aufbereitung Bei der Masseaufbereitung wirkt sich die geringe Härte der Rohstoffe günstig auf die Lebensdauer der Maschinen und ihrer Auskleidungen aus. Außerdem läßt sich oft auf teure Plastifizierungs- und Stellmittel verzichten. Formgebung Die Werkzeuge unterliegen durch die geringe Härte der Rohstoffe nur einem geringen Verschleiß. Die Werkzeugstandzeit ist heute in Verbindung mit modernen Stählen für die Einhaltung enger Toleranzen über die Lebensdauer des Werkzeuges verantwortlich. 68
Durch die Schichtstruktur und die besonderen Eigenschaften der Minerale in den Rohstoffen lassen sich unter Verzicht auf die teuren Plastifizierungsmittel leicht Formen gießen und extrudieren. Grün-/ Weißbearbeitung Die geringe Abrasivität der Rohstoffe ermöglicht eine höhere Standzeit der eingesetzten Werkzeuge und eine wesentlich höhere Abtragsleistung bei der Bearbeitung als bei Grünkörpern aus synthetischen Rohstoffe. Sintern Sie Sintertemperaturen für die Silicatkeramik liegen je nach Werkstofftype zwischen knapp 1.000 und 1.450 C. Damit ergibt sich eine erhebliche Energieeinsparung beim Brand. Know-how in Technologie Sintern aus dem Rohstoff wird der Werkstoff (charakteristisches Gefüge) Brenntemperaturen Werkstoff Kompetenzen CeramTec bei ca. 1250 C bei ca. 1300 C bei ca. 1350 1400 C bei ca. 1600 1800 C bei ca. 2150 C bei ca. 2300 2500 C für Tonerdeporzellan für Steatit für Cordierit für Al 2 O 3 für SSiC für RSiC allgemein: Verfestigung Verdichtung Mikrogefüge vielfältige Fertigungstechnologien, auf die jeweiligen Bauteile und Werkstoffe abgestimmt modernste Sintertechnologien für Klein- und Großserien Schnellbrandverfahren Sinterofen bis 2500 C Sintern mit Druckunterstützung (bis 2000 bar) Know-how enge Toleranzen und Maßhaltigkeit (Präzisionsverfahren) Bild 11 End- oder Hartbearbeitung Generell sollte die Nachbearbeitung möglichst minimiert werden, weil die Keramiken nach dem Brand nur noch mit hohem Aufwand zu bearbeiten sind. Um gewisse Oberflächeneigenschaften zu erreichen, ist die Hartbearbeitung unumgänglich. 69
Know-how in Technologie Abhängigkeit der Oberflächenqualität vom Bearbeitungsverfahren dargestellt am Beispiel von Aluminiumoxid Oberflächenqualität as fired Oberflächenqualität gescheuert Oberflächenqualität poliert Bild 12 Die beim Brand entstandenen Minerale und die Glasphase weisen eine deutlich geringere Härte auf als die Oxid- und Nichtoxidkeramiken. Die Vorschubgeschwindigkeiten und die Abtragsleistung der Diamantwerkzeuge sind bei der Bearbeitung von Silikatkeramiken um Faktoren höher. Besondere Verwendungsmöglichkeiten von Silicatkeramiken Eine weitere Möglichkeit zur Kostensenkung und Nutzenoptimierung bieten spezielle Verbindungs- und Fügetechniken (Bilder 14 und 15). Diese sind in der Praxis vielfältig erprobt und bieten eine einmalige Chance für die Nutzung der keramischen Erfahrung des Keramiklieferanten. Systemlösungen haben gleich mehrere ihnen immanente Kostensenkungspotentiale und Vorteile, die auf Bild 13 zusammengefaßt sind. 70
Spezialist in Systemlösungen Verbindungs- und Fügetechnik Kostenminimierung gezielter Einsatz von Keramik im Funktionsbereich Nutzen der Systemlösung Verbesserung des Verhaltens der Funktionseinheit Optimierung der Beanspruchbarkeit des Bauteils Reduzierung des Aufwands für Qualitätssicherung Einsparungspotentiale im System: Einkauf und Herstellungsprozeß Reduktion der Anzahl der Lieferanten, Konzentration auf Systemlieferanten Risikominimierung Verantwortung für die Funktion des Teilsystems liegt beim Lieferanten Bild 13 Spezialist in Systemlösungen Verbindungs- und Fügetechnik Beispiele aus der Praxis Stauchen: keramischer Lampensockel mit Kontaktfahne Krimpen: keramischer Lampensockel mit Kontaktfahne Umschrumpfen: keramischer Druckstift mit Metall-Gewinde Bild 14 71
Spezialist in Systemlösungen Verbindungs- und Fügetechnik Beispiele aus der Praxis Umbördeln: keramische Zündbrennerdüse mit Metall Kleben mit Thermoplasten: keramische Funkenkammerplatte mit Glasfasergewebe im Sandwich Kitten: Kontaktblech Bild 15 72